KR100944273B1 - 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서 - Google Patents

복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 타입(NDIR : Non-dispersive infrared type)의 가스 센서에 관한 것이다.
본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 가스 측정용 적외선 광원부 외에 상기 가스 측정용 적외선 광원부의 경년변화에 기인하는 광 세기의 변동을 측정 보상하기 위해 필요한 신호 보상용 적외선 광원부를 더 포함하고,
상기 적외선 광원부들이 각각 복수의 기하학적 입체의 결합에 의해 형성된 광원과, 이 광원을 구성하는 복수의 기하학적 입체면의 각 표면으로부터 방사된 빛에 대해 각각 평행광을 형성하는 복수의 오목 반사경 입체면의 다단 접합에 의해 형성된 오목 반사경부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 광경로상에서 실질적인 광의 세기를 증가시켜 센서의 소형화시키면서도 동시에 감도를 향상시킨다. 또한 본 발명은 신호 보상용 적외선 광원부를 통해 가스 측정용 적외선 광원부의 경년변화에 따른 광 세기의 변동을 측정하여 보상할 수 있기 때문에, 가스 센서의 확도와 신뢰성을 지속적으로 유지시켜 줄 수 있다.
비분산, 적외선 가스 센서, NDIR

Description

복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서{Non-dispersive Infra-Red Type Gas Sensor with Collimated Light Sources}
본 발명은 가스 센서에 관한 것으로, 특히 가스 측정용 광원의 경년 변화에 기인하는 광 세기 변동을 보상하는 비분산 적외선 타입(Non-dispersive infrared type) 가스 센서에 관한 것이다.
NDIR 가스 센서는 적외선 영역에서 기체 분자가 갖는 흡수 스펙트럼의 성질을 이용하여 특정 기체의 농도를 검출하는 가스 센서이다. 이 타입의 가스 센서는 전기화학 방식 또는 반도체 방식에 비해 선택성이 우수하고 신뢰도가 높으며, 내구성과 안정성이 뛰어나다. 이와 같은 장점으로 인해 고가임에도 불구하고 유해가스의 검출이나 정밀 측정에는 NDIR 방식이 널리 사용되고 있다. 특히 한국의 경우 교실 내의 미세먼지 농도 측정 의무화, 차량용 냉매 센서의 의무화, 배출가스 자기진단장치(OBD) 장착의 단계적 의무화 과정에서 측정 방법을 모두 NDIR 방식으로 법률에서 규정하고 있다.
NDIR 방식은 가스들이 적외선에 대해 특정한 흡수스펙트럼을 갖는 것을 이용한다. 광공동에 입사된 적외선이 가스상 물질에 의해서 흡수된 후 투과된 적외선 량은 베르-람베르트 법칙(Beer-Lambert law)에 의해 지배를 받는다.
Figure 112008013582607-pat00001
여기에서 I : 투과광량, Io : 입사광량, A : 고유상수(측정가스의 흡수율), C : 성분농도, L : 광경로 길이(투과길이) 이다.
NDIR 방식의 가스 센서는 크게 광원부와 광이 통과하는 광공동(optical cavity), 이를 감지하는 센서부로 구성되며, 가스센서의 특정한 가스에 대한 감도는 위 베르-람베르트 법칙에서 보듯이 입사광량과 광경로의 길이에 의해 결정된다. 상용화된 NDIR 가스센서는 광공동의 내부에 다수의 반사경을 기하학적으로 배열하여 동일한 크기의 광공동에서 최대한 광경로를 길게 하여 감도를 증가시키고 있다. 일반적으로 NDIR 가스 센서에 있어서 중요한 이슈는 센서의 감도와 센서의 크기이다. 센서의 감도를 개선하기 위해서는 광길이를 증가시켜야 하는데, 이는 센서의 크기가 커지는 것을 의미한다. 따라서 기존의 NDIR 가스 센서 설계에 있어서 접근방법은 반사경을 기하학적으로 최적 설계하여 동일한 크기 안에서 광길이를 가장 길게 확보하는데 촛점을 맞추고 있다. 그러나, 센서의 감도를 높이고자 하는 시도와 센서의 소형화를 동시에 만족시키는데는 광공동 설계만으로는 한계가 있을 수 밖에 없다.
NDIR 방식의 가스 센서에 있어서 입사광은 광원으로부터 전방으로 방사되는 것이 일반적이다. 그러나, 베르-람베르트 법칙에 따르면, 센서의 감도는 광경로 중의 가스에 의해 흡수되는 스펙트럼 성분에 의해 좌우되고, 효과적인 광학적 반응을 위해서는 광원으로부터 입사된 빛은 평행광인 것이 바람직하다. 기존의 NDIR 센서는 이 점에 깊이 착안한 것은 보이지 않는다. 특히 NDIR 방식의 가스 센서에 있어서 광원은 기하학적으로 단일의 기본 입체 형상을 갖기 보다는 복수의 기본 입체들이 연접된 형상을 하고 있다. 그럼에도 불구하고 이들 광원으로부터 방사된 광이 광공동 내부에서 평행광으로 유지시키는데 초점을 맞춘 연구나 제품은 보이지 않는다.
더 나아가 NDIR 가스 센서의 확도와 신뢰성(accuracy and reliability)은 적외선 광원의 수명과 방출광의 안정도에 강하게 의존하기 때문에 안정된 광원의 사용이 필수적이다. 그러나, 광원의 사용시간이 경과할수록 방출광의 세기(
Figure 112008013582607-pat00002
)가 변동하는 것을 피할 수 없기 때문에, 가스 센서가 지속적으로 확도를 유지하기 위해서는 방출광의 세기를 보상하는 방안 역시 함께 강구되어져야 할 필요가 있다.
이에 본 발명의 목적은 가스 측정용 광원의 경년변화를 보정하여 가스 센서의 확도와 신뢰성을 지속적으로 유지시켜 줄 수 있는 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서를 제공함에 있으며,
더 나아가 소형이면서도 감도가 개선된 저가의 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 가스 측정용 적외선 광원부 외에 상기 가스 측정용 적외선 광원부의 경년변화에 기인하는 광 세기의 변동을 측정 보상하기 위해 필요한 신호 보상용 적외선 광원부를 포함함을 특징으로 하며,
더 나아가 가스 측정용 적외선 광원부와 신호 보상용 적외선 광원부가 각각 복수의 기하학적 입체의 결합에 의해 형성된 광원과, 이 광원을 구성하는 복수의 기하학적 입체면의 각 표면으로부터 방사된 빛에 대해 각각 평행광을 형성하는 복수의 오목 반사경 입체면의 다단 접합에 의해 형성된 오목 반사경부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 이 같은 양상에 따르면, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서는 신호 보상용 적외선 광원부를 통해 가스 측정용 적외선 광원부의 경년변화에 따른 광 세기의 변동을 측정하여 보상할 수 있기 때문에, 가스 센서의 확도와 신뢰성을 지속적으로 유지시켜 줄 수 있음은 물론, 광경로상에서 실질적인 광의 세기를 향상시켜 센서를 소형화시키면서도 동시에 감도를 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 광센서부에서 검출된 광 세기가 상기 적외선 광원부에서 출사된 광 세기의 50% 이상 100% 미만의 범위에서 유지되면서 광경로가 적어도 5회 이상 반사를 거치도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 같은 추가적인 양상에 따르면, 본 발명의 비분산 적외선 가스 센서는 향상된 광의 세기로 인해 광경로를 늘이더라도 광센서부에 도달하는 광의 세기를 유 지할 수 있어 감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 양상에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 감도를 기존의 센서감도 수준으로 유지하면서도 광 길이가 3회 이하 반사만을 거치도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
이 같은 양상에 따라 본 발명에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 감도를 유지하면서도 크기를 더욱 소형화할 수 있다.
이상에서 상세히 기재한 바와 같이, 본 발명에 따른 가스 센서는 광원의 출력을 새로이 제안한 설계법에 따라 설계, 제작된 오목 반사경에 의해 평행광으로 집광하여 기존의 광공동에 비해 센서부에서 약 2.5배의 광출력이 가능하다. 이에 따라 본 발명에 따른 가스 센서는 동일한 크기의 광공동을 사용할 경우 센서 감도를 향상시키는 것이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 가스 센서는 동일한 정도의 감도를 달성하기 위해 필요한 광경로를 줄일 수 있어 더 소형화된 고감도 가스센서의 제작이 가능해져 성능 면이나 가격 면에서 훨씬 유리하다.
아울러 본 발명은 위와 같은 특징을 가지는 광원부를 복수 개 설치하여 측정광원의 경년변화에 기인하는 광 세기의 변동을 보상함으로써, 측정광 세기의 변화 보상이 용이하고, 저가로 구현 가능함은 물론, 센서의 확도와 신뢰성을 지속적으로 유지시켜줄 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 전술한, 그리고 추가적인 양상을 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서의 평면상 구성 및 광 경로를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 우선 본 발명의 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서는 가스 측정용 적외선 광원부(200)와, 상기 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 경년변화에 기인하는 광 세기의 변동을 측정 보상하기 위해서 필요한 광을 발생시키기 위한 신호 보상용 적외선 광원부(300)와, 상기 적외선 광원부들(200, 300)로부터 입사된 빛을 연속적으로 반사시키는 기하학적으로 배치된 반사면을 구비하여 다중 반사에 의한 연장된 광경로를 형성하고, 외부의 가스가 출입하는 공기 구멍을 포함하는 광공동(光空洞)(100)과, 상기 광공동(100)의 광경로의 종단에 위치하여 광경로 상의 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장대의 적외선 광량을 측정하는 광센서부(500)를 포함한다. 상기 광센서부(400)는 NDIR 타입의 가스센서에 사용되는 통상적인 광센서로서, 서모파일(thermopile)로 구현 가능하다.
도 1a에 도시한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 가스 센서는 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 경년변화에 기인하는 광 세기의 변동을 측정 보상하기 위해서 필요한 광을 발생시키는 신호 보상용 적외선 광원부(300)를 더 포함함을 특징 으로 하는데, 이하 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 경년변화 보상 원리를 도 2를 참조하여 부연 설명하기로 한다.
우선 가스 측정용 적외선 광원부(200)에 의한 광센서부(500)의 출력 신호는 수학식 1과 같이 가스가 없는 경우와 수학식 2와 같이 가스가 있는 경우로 구분할 수 있다.
Figure 112008013582607-pat00003
Figure 112008013582607-pat00004
그리고 수학식 1,2로부터 측정 가스농도 C는 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008013582607-pat00005
한편, 신호 보상용 적외선 광원부(300)에 의한 광센서부(500)의 출력 신호는 수학식 4로 표현할 수 있으며, 만약 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 광과 측정 가스가 반응하지 않는 경우에는 광 센서부(500)의 출력 신호가 수학식 5로 표현될 수 있다.
Figure 112008013582607-pat00006
Figure 112008013582607-pat00007
따라서 상기 수학식들로부터 출력비 R은 하기 수학식 6으로 표현된다.
Figure 112008013582607-pat00008
그리고 가스 측정용 적외선 광원부(200)와 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 광 경로를 동일하게 설계한다면 출력비 R은 수학식 7로 표현될 수 있다.
Figure 112008013582607-pat00009
만약 도 2에 도시한 제1광원이 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 광원이라면 그 사용시간이 경과함에 따라 경년변화를 일으키므로
Figure 112008013582607-pat00010
(즉,
Figure 112008013582607-pat00011
) 역시 변동된다. 따라서 상기 수학식 2와 3에 따라 측정값에 오차가 발생하게 된다. 이러한 오차를 측정하여 보상하기 위해 본 발명의 실시예에 따른 가스 센서는 도 2에 도시한 제2광원에 해당하는 신호 보상용 적외선 광원부(300)를 구비하는데, 이러한 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 동작주기를 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 동 작주기 보다 n배 증가시켜 동작시킨다.
예를 들어 제1광원인 가스 측정용 적외선 광원부(200)는 매 2.5초(가스농도 측정시간 0.5초 + 열평형 상태로의 복구시간 2초) 마다 동작하도록 하여 가스 농도 측정에 따른 신호측정이 이루어지도록 하고, 제2광원인 신호 보상용 적외선 광원부(300)는 12시간 마다 동작하도록 하여 신호 발생이 되도록 하면, 제2광원의 실질적인 경년변화(광 세기 변동)는 무시할 정도로 작기 때문에
Figure 112008013582607-pat00012
의 변동은 '0'으로 생각할 수 있다. 따라서 제2광원에 해당하는 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 출력으로부터
Figure 112008013582607-pat00013
(즉,
Figure 112008013582607-pat00014
)의 값을 알 수 있으므로, 상기 수학식들로부터 제1광원에 해당하는 가스 측정용 적외선 광원부(100)의 경년변화에 기인하는 광 세기의 변동을 보정할 수 있는 것이다.
이와 같이 제2광원을 통해 제1광원의 경년변화에 따른 광 세기의 변화를 재교정하는 가스 센서는 하나의 광원과 두 개의 서모파일 검출기를 사용하여 보상하는 종래의 비분산 적외선 가스 센서에 비해 광 세기의 변화 보상이 용이하고, 저가로 구현 가능하며 구조가 간단한 장점을 가진다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 또 다른 기술적 특징인 적외선 광원부(200,300)에 대해 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 광원부(200, 300)의 보다 상세한 구성을 도시한 것으로, 가스 측정용 적외선 광원부(200)와 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 구성은 동일하므로 하기에서는 가스 측정용 적외선 광원부(200)를 예 시하여 그 구성을 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 적외선 광원부(200)는 복수의 기하학적 입체면(211,213)의 결합에 의해 형성된 광원과, 상기 광원을 구성하는 복수의 기하학적 입체면의 표면으로부터 방사된 빛에 대해 각각 평행광을 형성하는 복수의 오목 반사경 입체면(221,223)의 다단 접합에 의해 형성된 오목 반사경부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 광원은 수직원통면(211) 및 반구면(213)의 접합 형상이고, 오목 반사경부는 광원의 수직원통면(211)의 종단에서 교차하는 포물면(221) 및 상기 광원의 반구면(213)과 반대 방향이면서 상기 포물면(221)과 접합되는 반구면(223)으로 구성된다. 이러한 광원부(200)의 구성을 보다 상세히 설명하면, 우선 다양한 형태의 광원으로부터 방출되는 빛을 평행광으로 만들기 위해서는 일반적으로 단순한 오목 반사경으로는 불가능하다. 본 발명은 광원을 복수의 기하학적 입체면의 결합으로 모델링하고, 이를 위한 다단계 반사경 설계법을 제시한다.
일반적으로 광원 면은 원통면, 반구면, 구면, 타원 구면의 조합으로 근사시킬 있다. 예를 들면, 도 4a와 같은 광원은 수직원통면과 반구면의 결합으로 볼 수 있고, 도 4b의 광원은 수직원통면과 타원구면의 결합으로 볼 수 있다. 광원을 복수의 기하학적 입체면으로 분할하고, 각각의 기하학적 입체면의 표면으로부터 방사된 빛에 대해 각각 평행광을 형성하도록 대응하는 오목 반사경 입체면을 설계한다. 본 실시예에 있어서 광원은 대부분의 NDIR 가스센서에서 사용되고 있는 구조인 도 4a에 도시된 광원을 채택한다. 도 4a에 도시된 광원을 구성하는 각 기하학적 입체 면에 대해 반사경을 구하기로 한다.
(1) 수직원통형 전구
도 5a는 수직원통형 전구의 반사경을 구하는 방법을 나타낸 것이다. 반경 r, 높이 H 인 수직원통형 전구면으로부터 나오는 광선을 평행광으로 만들기 위한 반사경은 도 5b와 같이 원통면의 종단에서 교차하는 포물면으로 설계한다. 수직 원통 윗면의 연장선과 반사경(포물선)이 만나는 점을 Q, 밑면이 반사경(포물선)과 만나는 점을 Q' 라고 하면,
Figure 112008013582607-pat00015
반사경에 대한 식은 포물선의 일반식으로부터 하기 수학식 10과 11로 된다.
Figure 112008013582607-pat00016
Figure 112008013582607-pat00017
(2) 반구형 전구
도 5c는 반경 r인 반구형 전구면을 나타낸다. 이 전구면으로부터 나오는 광선이 평행광이 되기 위해서는 도 5d와 같이 반경 P 인 반구면으로 된 반사경을 설계한다. 반구형 전구의 중심을 O' , 반사경의 중심을 O , 전구 직경의 연장선과 반 사경이 만나는 점을 Q' 라고 하면,
Figure 112008013582607-pat00018
반사경에 대한 식은 하기 수학식 12가 된다.
Figure 112008013582607-pat00019
이하에서는 위에서 기술한 다단계 반사경 설계법을 적용해 구체적인 실시예를 제시한다. 도 6a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 적외선 광원의 구체적인 치수를 도시한다. 이 광원은 반경 r = 1.5 mm의 반구면과, 높이 H = 6.3 mm이고, 그 내경이 위 반구면의 직경과 동일한 수직원통면이 접합된 형상이다. 먼저 전구의 형상을 수직원통면과 반구면의 두 부분으로 나누어 반사경의 구조를 설계한 다음, 다시 두 반사면을 조합하여 평행광이 최대가 되도록 반사경면을 최적화시킨다.
<광원의 수직원통면에 대한 반사경 설계>
수학식 8로부터 R=2.5 mm
수학식 9와 10으로부터 반사경에 대한 식 :
Figure 112008013582607-pat00020
(1.5 ≤|x|≤ 2.5)
<광원의 반구면에 대한 반사경 설계>
수학식 11로부터 P=3.5 mm, R=2.25 mm, b=3 mm
수학식 11과 12로부터 반사경에 대한 식 :
Figure 112008013582607-pat00021
(2.25 ≤|x|≤ 3.75)
참고적으로, 도 6d는 별개로 설계된 수직원통면에 대응하는 반사경과 반구면에 대응하는 반사경을 접합하여 최대의 평행광을 얻도록 최적화한 도 6a의 광원에 대한 완전한 오목 반사경부를 도시한 것이다.
한편 종래의 반사경과 본 발명의 실시예에 따른 반사경의 효과를 비교 평가하기 위해서 두 광원부에 대한 배광 곡선과 방출광량을 시뮬레이션 하였다. 도 7a 및 도 7b는 종래 반사경이 특별히 설계되지 않은 수직원통면과 반구면이 결합된 광원부의 배광 곡선과 광량에 대한 시뮬레이션 결과이다. 광 조사 범위는 광공동에서 제어 가능한 입체각 30°로 제한하였다.
도 7c 및 도 7d는 본 발명에 따른 반사경부가 구비된 동일 광원부에 대한 배광 곡선과 광량을 나타낸 것이다. 두 시뮬레이션 결과로부터 기존 광원부의 배광 곡선이 한쪽 방향으로 치우친 데 반해, 본 발명의 실시예의 경우 중심 부분으로 균일하게 조사되는 것을 확인할 수 있다. 또한 광원으로부터 출력광을 100으로 했을 때 입체각 30도 이내로 방출되는 광량이 종래의 광원부는 23에 불과한데 반해 본 발명의 일 실시예에 있어서는 49에 달하는 것을 확인할 수 있었다.
더 나아가 도 7e와 도 7f는 각각 본 발명의 실시예에 따른 가스 측정용 적외 선 광원부(200)와 신호 보상용 적외선 광원부(300)로부터 방사된 광이 5번의 반사를 거쳐 광센서부(400)에 도달하는 광속의 크기를 시뮬레이션 한 결과이다. 여기서 두 광원의 세기는 동일(즉,
Figure 112008013582607-pat00022
)하다고 가정하였으며, 임의로 100W, 광선 수 1000ray로 선택하였다. 도 7d와 도 7e로부터 계산된 도달 광속은 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 광원이 88.4%, 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 광원이 87.9%이며, 두 광속의 차이가 1% 미만이므로
Figure 112008013582607-pat00023
로 생각할 수 있다.
도 8a는 종래 알려진 한 광공동의 외관을 도시한다. 도 8b는 이 광공동의 광경로를 도시한다. 도시된 광공동은 크기를 소형화하면서도 광경로를 최대로 하기 위하여 4개 반사면을 중첩한 구조를 갖고 있다. 하지만 이 광공동은 광원부의 광 세기의 한계로 인해, 더 이상 광경로를 길게 할 경우 센서부에 입사하는 광세기가 약해져 검출이 불가능하거나 고감도의 적외선 센서가 필요하게 되고, 또한 잡음에 약하다. 도시된 실시예에 있어서 광공동의 길이는 약 20cm 이다.
이하에서는 전술한 광원부를 채택한 실용적인 비분산 적외선 가스 센서를 제공하기 위한 광공동의 제 1 실시예를 설명한다. 도 1a에 도시된 제 1 실시예에 따른 광경로의 길이는 종래 실시예와 동일하게 대략 20cm 정도, 보다 구체적으로는 가스 측정용 적외선 광원부(200)로부터 나온 광에 대한 광경로 길이는 198.634mm이고, 신호 보상용 적외선 광원부(300)로부터 나온 광에 대한 광경로 길이는 198.688mm 이지만, 광센서부(400)에서 검출된 광 세기가 적외선 광원부(200,300)에서 출사된 광 세기의 50% 이상 100% 미만의 범위에서 유지되면서 광경로가 적어도 5회 이상 반사를 거치도록 설계되었다. 즉, 본 발명에 따른 적외선 광원부(200,300)는 광출력이 기존의 광원부에 비해 월등히 높으므로, 광경로를 종래에 비해 길게 하더라도 광센서부(400)에서 감지되는 광량을 충분히 확보할 수 있다. 그러므로 광경로가 종래와 같거나 길게 하더라도 전술한 베르-람베르트 법칙(Beer-Lambert's law)에 따라 센서의 감도를 크게 높일 수 있는 것이다.
다시 도 1a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광공동(100)은 광원부(200, 300)가 고정되는 광원 고정부(160)와,
상기 광원 고정부(160)의 좌측에 위치하고, 상기 광원부에서 광공동 좌후방으로 입사된 빛을 광공동 좌전방으로 반사시키는 좌후방 반사경(120)과, 좌후방 반사경(120)에서 좌전방으로 반사된 빛을 광공동 우후방으로 반사시키는 좌전방 반사경(140)과, 광공동 좌측 중앙부에 입사된 빛을 광공동 우측 중앙으로 반사시키는 좌측 반사경(130)으로 구성된 좌측 반사면 구조와,
상기 광원 고정부(160)의 우측에 위치하고, 상기 좌전방 반사경(140)에서 반사된 빛을 광공동의 우전방으로 반사시키는 우후방 반사경(110)과, 상기 우후방 반사경(110)에서 반사된 빛을 상기 좌측 반사경측으로 반사시키는 우전방 반사경(150)을 포함하는 우측 반사면 구조와,
상기 우측 반사면 구조의 우측에 연접하고, 상기 광센서부(400)가 고정되는 센서 고정부(170)를 포함한다.
이러한 좌측 반사면 구조와 우측 반사면 구조를 가지는 광공동(100)내에서 적외선 광원부(200,300) 각각의 광경로를 살펴 보면 도 1b와 도 1c와 같다. 즉, 가 스 측정용 적외선 광원부(200)의 광경로를 도시한 것이 도 1b이며, 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 광경로를 도시한 것이 도 1c이다. 참고적으로 본 실시예는 광경로가 기존의 제품과 동일한 경우 감도가 얼마나 향상되는가를 보여주기 위한 실시예이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광원부가 적용될 수 있는 광공동의 외관을 도시한 것이다. 도시된 실시예에서 광공동은 단지 9cm의 광경로를 가진다. 도시된 실시예에서 광공동은 센서 감도가 기존 센서와 동일한 범위로 유지되면서 광 길이가 3회의 반사만으로 거치도록 형성된다. 이에 따라 광공동은 센서 감도를 유지하면서도 광공동의 크기를 더욱 소형화할 수 있다.
이러한 광공동의 구성을 보다 구체적으로 살펴보면, 도 9에 도시된 센서의 광공동은 광원부(200,300)가 고정되는 광원 고정부(940)와, 상기 광원 고정부(940)의 대향면에 위치하고 입사된 빛을 측면으로 반사하는 제1반사면(910)과, 상기 제1반사면(910)의 대향면에 위치하고 입사된 빛을 상기 제1반사면(910)의 일측으로 반사하는 제2반사면(930)과, 상기 제2반사면(930)의 대향면에 위치하고 입사된 빛을 상기 제2반사면(930)의 이측으로 반사하는 제3반사면(920)과, 상기 제3반사면(920)에서 반사된 빛이 입사되고 광센서부(400)가 고정되는 센서 고정부(950)로 구성된다.
도 10a, 10b는 각각 광추적(optical ray tracing) 소프트웨어를 사용해 종래 기술(도 8a, 8b)에 따른 센서, 도 1a에 도시된 센서에 있어서 각각의 센서부에 입사되는 광의 세기를 시뮬레이션한 결과를 보여준다. 종래 기술에 따른 센서에 있 어서 센서부에 입사되는 광의 세기는 29%인데 반해 본 발명의 실시예의 경우 39.4%로 증가되었음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 경년변화를 보상한 결과를 도시한 것이다. 실험 조건은 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 광원(측정광원이라고도 함)을 0.5초 동안 턴온시켜 가스농도를 측정하고, 2초 동안 턴오프시켜 열평형 상태를 회복하는 방식으로 매 2.5초 마다 가스 농도를 측정하였다. 그리고 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 광원(참고광원이라고도 함)에 대해서는 매 2412시간 마다 동작시켜 신호를 발생시켰다. 신호 보상용 적외선 광원부(300)의 동작시 가스 측정용 적외선 광원부(200)는 턴오프 상태를 유지한다. 이와 같이 실험한 결과 신호 보상용 적외선 광원부(300)를 이용하지 않을 경우에는 측정치의 오차가 약 104시간 후에 5%만큼 감소한 반면, 신호 보상용 적외선 광원부(300)를 이용하여 측정광원의 경년변화를 보상한 경우에는 광원의 동작 수명 동안(약 6000h) 발생하는 오차가 2% 이내로 유지됨을 알 수 있었다.
한편 도 12a 내지 도 12d는 입력 광 펄스를 450mHz에서 20% 듀티(duty)를 갖도록 조사하였을 때, 이산화탄소 농도 변화에 따른 센서의 출력 변화를 종래기술에 따른 가스센서와 비교한 것이다. 도 12a와 도 12b는 각각 종래기술에 따른 센서와 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 시간에 따른 검출 전압의 변화를 도시한 것이다. 도 12c와 도 12d는 각각 종래기술에 따른 센서와 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 이산화탄소 농도에 따른 검출 전압을 도시한 것이다.
측정 결과로부터 이산화탄소 농도 500-2000ppm의 변화에서 센서 출력 변화는 종래기술에 따른 센서가 130 mV, 본 발명의 실시예에 따른 센서가 474 mV 로 약 3.6배 향상되었음을 알 수 있다. 즉, 센서 감도는 비선형 특성을 보여주므로 하나의 수치로 나타낼 수는 없지만, 평균적으로 종래 기술에 따른 대비예의 센서에 있어서 감도는 0.1 mV/ppm 내외 정도인데 반해, 본 발명의 경우 0.3 mV/ppm 정도의 감도를 보여주고 있다. 특히 저농도 영역에서 본 발명의 광공동을 사용한 센서의 감도가 훨씬 우수함을 알 수 있다.
도 13은 베르-람베르트 법칙을 이용해 이산화탄소 농도 0-2000ppm의 범위에서 종래기술, 제1실시예, 제2실시예에 따른 센서들의 광흡수 특성을 나타낸 곡선이다. 이 곡선으로부터 다음 사실을 알 수 있다.
(1) 광경로 길이가 동일할 경우 본 발명의 센서 감도가 훨씬 우수하고, 잡음에 강하다(실시예 1과 종래제품의 비교)
(2) 감도가 동일할 경우, 광공동의 출력이 클수록 광경로를 짧게 할 수 있어 센서의 소형화가 가능하고, 센서에 입사하는 광의 세기가 증가하여 잡음에 강하다(실시예 2와 종래 제품의 비교). 즉, 제2실시예의 경우와 종래기술에 따른 제품의 경우 곡선의 형태는 비슷하지만 제2실시예의 경우 센서에 입사하는 광세기가 평균적으로 훨씬 높음을 알 수 있다.
(3) 광경로가 동일한 경우, 광공동의 출력이 강할수록 저농도의 이산화탄소 검출에 유리하다.
(4) 광공동의 출력이 약한 경우, 광경로가 짧아지면 저농도의 이산화탄소 검출이 불가능하다.
한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
도 1a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 비분산 적외선 가스 센서의 평면상 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 1b 및 도 1c는 도 1a에 도시된 가스 센서에서 광공동 내부의 광경로를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 경년변화 보상 원리를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광원부의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 4a, 도 4b는 통상적인 2가지 광원의 기하학적인 형태를 개략적으로 도시한 도면.
도 5a는 수직원통형 전구면의 디멘젼 표지를 도시하고, 도 5b는 그 반사경과 함께 디멘젼 표지를 도시한 도면.
도 5c는 반구형 전구의 디멘젼 표지를 도시하고, 도 5d는 그 반사경과 함께 디멘젼 표지를 도시한 도면.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 구체적인 치수를 도시한 도면.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 수직원통면에 대해 설계된 반사경의 구체적인 치수를 도시한 도면.
도 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원의 반구면에 대해 설계된 반사경의 구체적인 치수를 도시한 도면.
도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따른 오목 반사경부의 구체적인 치수를 도시 한 도면.
도 7a 및 도 7b는 종래 반사경이 특별히 설계되지 않은 수직원통면과 반구면이 결합된 광원부의 배광 곡선과 광량에 대한 시뮬레이션 결과 도면.
도 7c 내지 도 7f는 본 발명에 따른 반사경부가 구비된 동일 광원부에 대한 배광 곡선과 광량에 대한 시뮬레이션 결과 도면.
도 8a는 종래 알려진 한 광공동의 외관을 도시한 도면.
도 8b는 도 8a에 도시된 광공동의 광경로를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광원부가 적용될 수 있는 광공동의 외관 예시도.
도 10a와 도 10b는 광추적(optical ray tracing) 소프트웨어를 사용해 종래 기술, 본 발명의 실시예에 따른 센서들에 있어서 각각의 센서부에 입사되는 광의 세기를 시뮬레이션한 결과 도면.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 가스 측정용 적외선 광원부(200)의 경년변화 보상 결과 도면.
도 12a와 도 12b는 각각 종래기술에 따른 센서와 본 발명의 제1실시예에 따른 센서의 시간에 따른 검출 전압의 변화 예시도.
도 12c와 도 12d는 각각 종래기술에 따른 센서와 제 1 실시예에 따른 센서의 이산화탄소 농도에 따른 검출 전압 변화 예시도.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 광흡수 특성 곡선 예시도

Claims (8)

  1. 가스 측정용 적외선 광원부와; 구비된 광원부로부터 입사된 빛을 연속적으로 반사시키는 기하학적으로 배치된 반사면을 구비하여 다중 반사에 의한 연장된 광경로를 형성하고, 외부의 가스가 출입하는 공기 구멍을 포함하는 광공동(光空洞)과; 상기 광공동의 광경로의 종단에 위치하여 광경로 상의 특정 가스에 의해 일부 흡수된 후 도달하는 특정 파장대의 적외선 광량을 측정하는 광센서부;를 포함하는 비분산 적외선 가스 센서에 있어서,
    상기 가스 측정용 적외선 광원부의 경년변화에 기인하는 광 세기의 변동을 측정 보상하기 위해서 필요한 광을 상기 반사면으로 입사시키기 위한 신호보상용 적외선 광원부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 가스 측정용 적외선 광원부와 신호보상용 적외선 광원부 각각은,
    복수의 기하학적 입체면의 결합에 의해 형성된 광원과;
    상기 광원을 구성하는 복수의 기하학적 입체면의 표면으로부터 방사된 빛에 대해 각각 평행광을 형성하는 복수의 오목 반사경 입체면의 다단 접합에 의해 형성된 오목 반사경부;를 포함함을 특징으로 하는 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 광원은 수직원통면 및 반구면의 접합 형상이고, 상기 오목 반사경부는 상기 수직원통면의 종단에서 교차하는 포물면 및 상기 광원의 반구면과 반대 방향이면서 상기 포물면과 접합되는 반구면으로 구성된 것을 특징으로 하는 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 광공동은 상기 광센서부에서 검출된 광 세기가 상기 적외선 광원부에서 출사된 광 세기의 50% 이상 100% 미만의 범위에서 유지되면서 광경로가 적어도 5회 이상 반사를 거치도록 형성되는 것을 특징으로 하는 복수 평행광원을 가진 비분산 적외선 가스 센서.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 비분산 적외선 가스 센서의 광공동이 :
    상기 광원부가 고정되는 광원 고정부와;
    상기 광원 고정부의 좌측에 위치하고, 상기 광원부에서 광공동 좌후방으로 입사된 빛을 광공동 좌전방으로 반사시키는 좌후방 반사경과, 좌후방 반사경에서 좌전방으로 반사된 빛을 광공동 우후방으로 반사시키는 좌전방 반사경과, 광공동 좌측 중앙부에 입사된 빛을 광공동 우측 중앙으로 반사시키는 좌측 반사경으로 구성된 좌측 반사면 구조와;
    상기 광원 고정부의 우측에 위치하고, 상기 좌전방 반사경에서 반사된 빛을 광공동의 우전방으로 반사시키는 우후방 반사경과, 상기 우후방 반사경에서 반사된 빛을 상기 좌측 반사경측으로 반사시키는 우전방 반사경을 포함하는 우측 반사면 구조와;
    상기 우측 반사면 구조의 우측에 연접하고, 상기 광센서부가 고정되는 센서 고정부;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 가스 측정용 적외선 광원부와 신호보상용 적외선 광원부 각각으로부터 방사된 빛의 광경로 길이가 동일하도록 광공동에 고정됨을 특징으로 ㅎ하는 비분산 적외선 가스 센서.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 광공동은 센서 감도가 0.05 ~0.15 mV/ppm 범위에서 유지되면서 광 길이가 적어도 3회 이하의 반사만을 거치도록 형성되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 비분산 적외선 가스 센서의 광공동이 :
    상기 광원부가 고정되는 광원 고정부와;
    상기 광원 고정부의 대향면에 위치하고, 입사된 빛을 측면으로 반사하는 제 1 반사면과;
    상기 제 1 반사면의 대향면에 위치하고, 입사된 빛을 상기 제 1 반사면의 일측으로 반사하는 제 2 반사면과;
    상기 제 2 반사면의 대향면에 위치하고, 입사된 빛을 상기 제 2 반사면의 일측으로 반사하는 제 3 반사면과;
    상기 제 3 반사면에서 반사된 빛이 입사되고, 상기 광센서부가 고정되는 센서 고정부;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 비분산 적외선 가스 센서.
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